ターボは高回転に強い。

Question

スーパーチャージャーは低回転・加速に強いと言われますが、コンプレッサーで圧縮を空気を送るなら低速でも高速でもより酸素を供給できる分、回転数は関係ないように思うのですが、なぜスーパーチャージャーは最高速・高回転が苦手なのですか。

Answer 1

nightcorecountingstarsさんへ

>コンプレッサーで圧縮を空気を送るなら
>低速でも高速でもより酸素を供給できる分、回転数は関係ないように思うのですが、
その通り d(^^)

>ターボは高回転に強い。
>スーパーチャージャーは低回転・加速に強いと言われますが、
>なぜスーパーチャージャーは最高速・高回転が苦手なのですか。
端的に言えば、技術が未熟だからです。d(^_^;)

先ず、低回転型か、高回転型か、というエンジンの性格付けの問題が在ります。
これは過給器無し、自然吸気エンジンでも発生する事ですから、どの様な性格付け、どの回転域を重視して作るかという問題って事で、同意して頂ける物と思います。(^^)

じゃあ、過給器の種類によって違いが出るのか?
その昔、F-1でフェラーリが、TurboとPWSの比較をしました。単なる機械式過給器よりもっとマッチする回転域が狭いPWS
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A3%E3%83%BC%E3%82%A6%E3%82%A7%E3%83%BC%E3%83%96%E3%83%BB%E3%82%B9%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%83%A3%E3%83%BC

を試した訳ですから、どの回転域で、どの位のパワー・トルクを絞り出すか、と言った開発側の狙いによって、性格は決まって来るのです。
例をもう一つ。
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf
自動車では採用出来ていない軸流式タービンのTurboを採用して、地球上で熱効率最高の座を競い続けている存在ですが、、、回っても〜200rpm程度の、超が付く低回転型の世界です。d(^=^;)

でもね、、、
って事で、こちらをご参照下さいな。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%83%A3%E3%83%BC

色んな種類が在りますね。(^^;) 載って無いのも在る位
古くから使われて来たのが「ルーツ」送風器、です。そう、コンプレッサーでは無く唯の送風器。d(^^;)
内部で圧縮をしない為に、出口が開いた途端に、過給気が中へ激しく逆流します。
一度逆流し、それから改めて送り出される。から、空気は激しく揉まれて昇温しちゃうし、サイレンと似た構造なので煩い、し駆動損も嵩む。
だから高回転化に向かず、クランク軸から減速されて駆動される様な、そんな物なのです。
ここら辺の事情は、内部圧縮を持たないタイプ、全てに共通します。

一方で、Turboが代表する様に成った羽根車を回す方法は、速度型と呼ばれる特性を持つ為に、下スカ上ドッカンの特性を示しがちです。から、排気量全部の排ガス流量を流せる容量よりは小さい型を選び、途中からウェイストゲート弁を開けて圧を逃がす(捨てちゃう)様にしながら、トルクバンドを幅広く得ようと頑張った、のが技術開発の経緯です。
下を出したくても出せない、って軟弱な物。d(^=^;)

これら以外の物は無いのか?
ご紹介したWikiには、
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AA%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%AB%E3%83%A0%E3%83%BB%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%83%E3%82%B5
も記述されていて、

>ルーツ・ブロアと異なり内部圧縮があるために
>高い全断熱効率を誇る。
との事。d(^^)
そしてその特性グラフを見ると、32000rpmにも成ろうかという高回転型だったりするのです。
高回転型にする事で小形軽量化出来る程のポテンシャルを持つ過給器が在る。。。のですが、捻れた棒を精密に作るのが高い。
これが安く成れば、一気に採用数が増えるでしょう。
そして、、、
何の策も工夫も無いまま、低回転から過給圧を上げちゃうと、ノッキングに代表される自己不正着火の嵐に見舞われてエンジンは壊れちゃいます。
過給 = 燃費悪化
という定評を覆せない現状の技術の延長線上では、使いこなす事が出来ない。
という問題が在るからこそ、チンケなTurboに電動補助を加えてみたりする、コソコソとした改良が続いているのです。d(^o^;)

回るエンジンがいいのか?
私的には、アイドルからぶっといトルクが出るのなら、しかもそれが変速段数にして5段も要らないヨ、満載のダンプでも、ってな幅広いトルク特性を示すなら、5500rpmも回りゃ御の字だと思います。
考え様によっちゃぁ、それでも結構高回転型じゃないでしょうか? d(^^)

で、、、
アイドル回転から大気圧の2倍という高過給圧を常用し、
それを活かして、排気量半分と言った大胆なダウンサイジング
を目指した方式が、特許化されています。それも日本人の手によって。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%BC%E5%9D%82%E5%BC%98

低回転から自己不正着火に悩まされずに高過給圧を常用するには、どうしたら良いか?
その高過給圧でも、過濃混合比で内側から冷やさずに済ませるのは?
今、ガソリンエンジンに求められているのは?

走行時間の大半を占める部分負荷領域は、スロットルで吸気を絞られる事によるポンピング損が、ディーゼルに負ける主因と成っている。だから、スロットルは廃止しよう、ノンスロットリング化しよう。。。
と、かつて世界中の各社は研究にトライしました。が、単にスロットルを廃止すると、アイドルへ向けて回転を下げて行けなく成っちゃいます。途中で失火して停止する。
何故か?
それは、スロットルの狭い隙間を無理矢理通過させられる事で付与された運動エネルギーが、圧縮上死点温度Upに転化した為に、絞っても回転を下げられた。
と考察出来たので、「じゃあ・・・」って事で、各社は可変圧縮比へと進んで行きます。上死点温度が足りなく成る域では燃焼室容積を狭めて圧縮比を上げるエンジンにしたら。。。
燃焼室からピストン、コンロッド、クランク軸と色んな工夫が発表された中で、コンチネンタルの戦車用ディーゼルだけが、唯一成功したと言え、他は事ごとく中止に成ってしまったのでした。(精密に、安く、は両立しなかった)
ここで、

「圧縮上死点温度が下がり過ぎて困ってるんなら、
上がり過ぎて困ってる過給と組み合わせりゃ、相子でホイで丁度イイじゃねぇか」

と考えた人が出て来ます。
・スロットル廃止、吸気弁閉じ時期連続可変機構で出力と過給圧の制御
・理想の高膨張比14の達成
・内部圧縮を持つ事で高効率な機械式過給器の併用
の3つを同時に・一緒にやれば、高膨張比なのだからディーゼルに比肩する様に成るし、排気温も十分に下がるので燃料冷却は要らない。
過給圧が高く成り過ぎる様だったら、吸気弁閉じ時期を早めて、吸気行程その物を短くする。
でも、膨張比は大きいまま。。。

ってな事で、K-ミラーサイクルの特許が成立したのです。(兼坂式アトキンソンサイクルミラーシステム、の略)

以上、新世代のエンジン、新方式の出力制御法と一緒じゃ無いと、上手に使いこなせないからこそ、内部圧縮を持つ事で高効率な過給器が未だにデビューして来ないのだ、と思って頂ければ良いと思います。

中々ややこしい話ですよね。何か有りましたら補足なさって下さいな。d(^^)

質問者からのお礼コメント

回答ありがとうございます！

Answer 2

＞スーパーチャージャーは低回転・加速に強いと言われますが

エンジンの
ベルト・機械的に
スーパーチャージャー本体を回す為
エンジンの２倍以上の回転は出来ません

ターボは
排気の圧力で
ターボチャージャー本体の
タービンコンプレッサーを回す為
タービンコンプレッサーは最高
１０万回転以上回り

ターボチャージャー本体のシャフトは
エンジンオイルで
油の中に浮いています

Answer 3

えーと本来、「スーパーチャージャー」は過給器全般を指し、ターボはその中の1方式でしかないのですが…。
ややこしくなるので以降、「過給器」を過給装置全般、「スーパーチャージャー」をいわゆる機械式過給器、「ターボ」を排気タービン式過給器、を指すものとして話をします。


>なぜスーパーチャージャーは最高速・高回転が苦手なのですか。

殆どのスーパーチャージャーは、エンジンから機械的に動作出力を得て、機構を動作させます。
当然その機構には摩擦などのロスが存在し、エンジンの出力を食いつぶします。

低回転域では、そのロスは目くじらを立てるほどではありません。同時に、ターボは低回転域では充分な圧縮を得られませんので、低回転域ではスーパーチャージャー一択となります。(但し、燃費向上を目指すようなダウンサイジング・スモールターボは別。本件は出力向上を目指す過給器のお話)

回転数が速くなればなるほど、摩擦などでロスされるエネルギーも増えていきます。これは回転数の自乗に比例して増えていきます。
たとえば、2000rpmのときのロスは、1000rpm時の２倍ではなく４倍です。
4000rpm時で1000rpm時の16倍、7000rpm時なら1000rpm時の49倍、と、こういうロスの増え方をします。
すると高回転域では「確かにスーパーチャージャーで出力は増えてるんだけど、そもそもその駆動用にすげぇロスしてて、トータルではあまり美味しくない」というこになります。


対してターボは、そもそもエンジンの出力でコンプレッサーを回すわけではありません。(厳密には排気抵抗とはなりますが)
高回転域になっても、それほどエンジンの出力低下は起こりません。ですのでターボは、排圧が上がってくる高回転になればなるほど、美味しさが増えてきます。


これを乱暴に縮めると「ターボは低回転に弱く高回転に強い、スーパーチャージャーは低回転に強く高回転に強い」という言い方に成ります。


ちなみにこの「コンプレッサーを回すときの駆動ロスがなんとかならんものか」というところに着眼し、コンプレッサーもタービンも使わない手を採用したのが、日本ではロータリーエンジンで回転弁制御の技術を持っていたマツダ。1987年発売のカペラに、RF型ディーゼル＋プレッシャーウェーブスーパーチャージャーというゲテモノを採用しております。
…もちろんマツダですから、技術的な面よりも広報面とかブランドイメージで大ゴケ、販売不振です。
ただし、モノとしては全域トルクフルで「2500ディーゼルかよコレは！」って感じの乗り味でした。


逆に、「それぞれメリットとデメリットがあるんなら、両方積んでやればいいだろ！」と力技に出たのが日産。
マーチに乗っていたK10ETというターボエンジンに、「ならスーパーチャージャー付けてやる」とばかりにスーパーチャージャー「も」装備したMA09ERTを生産。
「マーチ・スーパーターボ」という分かりやすい車名の車に載せました。1984年だったかしら。
残念ながら、コレに乗ったことはありません…。

Answer 4

エンジンが高回転なら、
スーパーチャージャーも高回転で回らないと、
必要（以上）の空気を送り込めないけど、
回転数の二乗に比例する数値で、
ロスが増えて行くので、
出力向上と、
ロスの増大が、
どこかで入れ替わっちゃうから。

捨ててるはずのエネルギーを再利用する、
ターボはそれがないから。

Answer 5

強いと言うより得意な領域と表現した方がいいかも。
ターボは排気ガスを利用するため排気流量の大きい高回転に有利で、スーパーチャージャーは直接の動力源をエンジンから取っているからトルクの立ち上がりが低回転域から得られる為。
それぞれの不利要素は機械的損失のバランスの問題。高回転になるほど空気をたくさん吸えるとゆう単純な問題ではない。

Answer 6

エンジンの回転を利用してるので、機械的フリクションロスが大きいからです。

Answer 7

なぜスーパーチャージャーは最高速・高回転が苦手なのですか。

過給器の動力をエンジンから取るので


その分 ロスが増える

（一部例外有り）